西北地区农村生活污水处理研究——以黄陵县为例

高 意,马俊杰

(西北大学 城市与环境学院,陕西西安 710127)

随着经济的迅速发展和人口的不断增长,仅通过控制城市、城镇难以实现水污染控制目标,并且我国农村人口多达 8亿人,每年产生的生活污水排放量达 80多亿吨,但 96%的农村地区没有污水处理及收集系统[1]。未经处理的生活污水肆意排放,不仅直接造成水体和土壤污染,还间接威胁广大农民群众的身体健康,甚至严重影响了农村地区自然、环境和经济的可持续发展[2]。因此,解决农村污水的处理问题显得极为迫切。对于缺水地区水资源极为宝贵,水资源缺乏已经成为制约该地区可持续发展的重要因素之一。本文以陕北黄土高原地区黄陵县为具体研究对象,探讨农村生活污水处理模式与技术,以此为农村生活污水处理提供技术支撑。

1 西北地区环境现状与农村生活污水处理问题

西北是我国的干旱地区,年均降水量和单位面积产生的年均径流量在全国都是最少的,大部分区域的年降水量在400mm以下,且水资源分布不均匀,部分地区人均占有量极低[3]。区内气温冬季较低,就陕北黄土高原而言,多年平均气温 7.9℃～11.3℃,一月平均气温最低(-7℃左右)。

目前西北地区水资源利用主要问题包括水资源短缺、水源地保护低、水资源污染严重等。其中水体污染源主要来自城镇生活污水、工业废水,农业污染。但近几年农村进行了安全饮水改造,将水引进村中,进行集中供水,随着农村改水的逐步实施,自来水入户率越来越多,使得用水量不断增加,从而直接导致排水量增大,生活污水有效处理成为农村新形势下产生的新问题。

由于众多的污水处理工艺受具体条件限制,致使不同地区需选择不同的合适的处理工艺。根据西北地区温度、地形、人口分布、经济条件等因素的影响,农村生活污水的处理主要面临的问题[4]是：地形复杂,人口较少,且居住分散,造成污水收集困难,不易规模化集中处理;冬季温度较低,造成处理工艺受限,一定程度上增加了处理难度;生态环境脆弱,水资源短缺,且经济条件较落后。

2 农村生活污水处理工艺分析

据低温、干旱和生态环境脆弱的自然条件、经济较为落后以及人口居住分散等因素,以经济、实用、简便为原则,采用投资少、运行费用低、除污效率高、管理简便、容易维修、具有良好的抗冲击能力的工艺或技术[5],确定适合西北地区的主要工艺如下：

2.1 厌氧沼气技术

厌氧沼气技术是指在厌氧条件下,由多种厌氧或兼氧微生物的共同作用,使有机物分解,并产生 CH 4和 CO2的过程[6]。产生的沼气可以用作浴室、照明、家庭用炊能源等;厌氧发酵处理后的污水被去除大部分的有机物,可用作浇灌用水和观赏用水;发酵产生的沼渣可用作肥料。

该工艺特点是工艺简单、成本低(约 2 000元/户),运行费用基本为零,适合于经济欠发达、水资源短缺的地区。并可根据当地的实际情况,构建 “三位一体”、“四位一体”以及“五配套”(果园、集雨设施、沼气系统、太阳能猪圈、厕所结合)等沼气利用模式,其中“五配套”模式最适合西北地区。

2.2 稳定塘技术

稳定塘主要利用菌藻的共同作用处理废水中的有机污染物,在缺水干旱地区,这是污水资源化利用的有效方法[7]。常采用“厌氧塘—兼性塘—好氧塘”的处理流程,有时还设置一个熟化塘以稳定出水质量。

该技术特点是基建投资和运转费用低、维护和维修简单、便于操作、能有效去除污水中的有机物和病原体等,但占地面积大,处理效果受气候影响。适用于经济欠发达、水资源短缺、规模较小且拥有自然池塘或闲置沟渠地形的村庄。主要工艺流程为：生活污水 -格栅 -沉淀池 -氧化塘 -达标排放,处理后的污水一般可以达到《污水综合排放标准》(GB 89782-1996)二级标准[8],但容易受温度影响出水不太稳定,需做好保温措施。

2.3 人工湿地技术

人工湿地处理技术是在地面利用土壤与填料,在土壤表面种植生命力强、能够有效吸收废水中有机物的植物,通过填料的过滤使得废水处理达到排放标准,主要分类为：表面流湿地、潜流湿地、立式流湿地[9]。该技术在温度比较低的丹麦、加拿大、韩国、美国等国家被用来处理农村生活污水,都取得了比较好的运行效果。在寒冷的西北地区,最适宜的潜流湿地技术[10],此技术被表层填料覆盖,在冬季可减小因污水蒸发蒸腾和流动造成的能量损失,有助于维持和提高湿地内的温度。对于温度过低影响污水达标排放的情况下,可增加植物、薄膜等保温措施。

人工湿地的特点是一次性投资少和运行费用少(其中建设成本约 980元 /吨,运行成本约 0.35元/吨),运行简单,环境影响小,具有良好的景观效应等,但占地面积大,易受气候影响,表面径流的臭味比较大[11]。适用于地势平坦、坡地、居住相对集中的中、小村庄。该技术对有机物的去除能力较强,对氮、磷也有一定的去除能力,一般出水 SS去除率为90%～100%,COD去除率为 50%～90%,BOD去除率为35%～91%,NH 4-N去除率为 70%～90%[12],出水水质达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级标准。主要工艺流程是：通过管网将各户经化粪池、格栅井收集处理后的生活污水,通过人工湿地系统进一步处理后,直接排放或回用灌溉农田。

2.4 地下渗滤技术

地下渗滤系统是一种人工强化的、低耗、高效的污水生态工程处理技术,由化粪池和地下渗滤装置构成的污水处理系统,污水经过化粪池预处理之后有控制地投配到渗滤装置之中,而后在重力和土壤毛细管力的作用下扩散运动,污水在此迁移过程中通过物理截留、物化吸附、化学沉淀、微生物降解、动植物作用等被净化。污水地下渗滤处理系统可分为土壤渗滤沟、土壤毛管渗滤系统、土壤天然净化与人工净化相结合的复合工艺,其中土壤毛管渗滤是通过土壤 -植被 -微生物的复杂作用而净化水体,下部有防漏层,可防治对地下水的污染,且相对复合工艺较经济,比较适合农村污水处理[11]。地下渗滤对污水的处理效果受低温的影响,需对植被等作保温措施。

该系统特点是不影响地面景观、基建及运行管理费用低、出水水质好、受外界影响小、脱氮除磷效果好等,但需进行预处理,否则易出现堵塞现象[13]。适合土质通透性能高、农户分布散、人口少、经济较落后的农村污水处理,处理工艺为生活污水 -化粪池初沉池 -地下渗滤系统 -达标排放,,出水水质达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级标准[14]。

2.5 组合工艺技术

由于厌氧沼气技术、稳定塘技术、人工湿地技术及地下渗滤技术不能达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)的一级标准,对于污水排放要求的地区,可采用相应的组合工艺技术。

2.5.1 净化沼气技术

净化沼气技术构筑物包括沉砂池、一、二级厌氧消化池和兼性生物滤池,其技术流程是：生活污水 -一级厌氧 -二级厌氧 -兼性生物滤池 -排水,处理后的污水水均达一级排放标准[15]。该工艺特点是建造成本低(单池容积在 10～200m3之间,单方造价约在 500～700元之间),无动力,运行简单,对居住分散或集中地区均适用。

2.5.2 净化沼气技术 +人工湿地组合工艺

该技术采用净化沼气技术与人工湿地相结合的工艺,其技术流程为：生活污水 -沼气池 -兼性生物滤池 -人工湿地-达标排放[16],处理后的污水达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)的一级标准。该技术特点是无动力、低造价、低运行管理成本和高处理效率,适用于居住较集中的地区。

2.5.3 人工湿地 +稳定塘组合工艺

污水先经过预处理后进入人工湿地,利用植物吸收、微生物降解、填料过滤吸附等作用去除污水中的污染物,其工艺流程为生活污水—格栅—厌氧池—人工湿地—稳定塘—达标排放,其出水水质达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)的一级标准[17]。该技术特点是工艺投资少(建造成本约 60元 /m2))、处理效果好、操作简单、维护成本低(总运行费用约 0.082元/m3),无需任何电气设备,但需要配备管理人员,适用于居住较集中的地区。

3 黄陵县农村污水处理技术选择

黄陵县位于延安地区南部,属渭北高原沟壑区,东靠洛川,南连宜君、铜川、旬邑,西与甘肃省正宁县相接,北与富县毗邻。全县地势西北高、东南低、略呈倾斜,基本地貌类型以山地、黄土塬、川道、沟坡为主。黄陵县属中温带大陆性季风气候,具有春季干燥多风、夏季炎热且多暴雨、秋季阴雨不断、冬季干冷漫长的特点。降水多以暴雨形式集中于夏秋季,雨量分布极不均匀,6～9月降水占全年总降水量的 60%以上。黄陵县基本属渭河流域北洛河水系的沮河流域,小部分支流直接注入洛河或洛河水系的葫芦河。连同过境河流全县流域面积大于 1000 km2的三条河流是洛河、沮河、葫芦河,其平均流量分别为沮河 1.132亿 m3,洛河 4.73亿 m3,葫芦河 1.2亿 m3。人均占用径流量低于全省人均水平,地表水资源比较贫乏。

从保护水体功能的角度出发,按照沿水域区和沿非水域区,依据区域特征、污水性质以及各种工艺的适用性等污水分散处理技术。在 1985年,美国就已宣称消除污染物排入水体,沿水域城镇按水体功能区划进行污水排放[18]。就黄陵县主要水系沮河而言,应按沿水域和非沿水域两种类型对农村污水分散处理工艺作选择。

3.1 沿水域区内污水分散处理技术选择

该区的农户多数处于川道内,少数处于塬面和沟壑内。根据《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中规定,排入《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水域的污水,执行一级标准;排入Ⅳ、Ⅴ类水域,执行二级标准。根据《黄陵县沮河水功能区划报告》,将黄陵县沮河自子午岭东坡发源地经双龙镇、店头镇、黄陵县城区至县河口入洛河流长128 km划为 7个功能区河段,见表 1。

表1 延安市沮河水环境功能区划

对沮河按功能区划分选择的处理工艺如下：

1)源头水

流域范围是从子午岭到柏林庄,该流域保护区内国家限制和禁止开发,禁止向源头水域中排放污水,从子午岭到柏林庄,该流域保护区内无人居住,因此,无生活污水排放。

2)饮用水一级保护区

流域范围从柏林庄到上畛子,水质目标为Ⅱ类。该流域两岸的陆域植被较好,分布村庄很少且比较分散,对水资源开发利用程度比较低,禁止向该保护区内排放生活污水。

3)饮用水二级保护区

流域范围包括三部分,即从上畛子到索洛湾、峪村到店头水厂、河腰村到洛河的县河口。水质目标为Ⅲ类,应执行一级排放标准,处于Ⅲ类水域保护区内的农户,其生活污水排放应达一级排放标准。

(1)上畛子到索洛湾河段分布有农场、林场及较少村庄,目前农户生活污水基本未经处理排放。由于该流域内的农户居住分散且较少,经济条件较差(据统计年鉴资料 2007年农民纯收入 3599元),依托政府部分补助采用净化沼气技术。

(2)峪村到店头水厂河段主要分布双龙煤矿、双龙镇、双龙水厂、黄陵一号矿井、矿业公司、煤矸石电厂、店头镇及店头镇水厂和沿河的煤矿、选煤厂、村庄。该河段内村庄大多建设为生态村、新农村,农户居住较集中,经济较发达。其中,一部分村庄由于被企业占领迁移,其生活污水依托周围企业集中处理;另一部分主要依靠沼气池处理,污水不能到达一级排放标准,可在沼气技术上改进,采用净化沼气技术与人工湿地组合工艺,对于有现有水塘的村庄,也可采用人工湿地与稳定塘的组合工艺。

(3)河腰村到洛河的县河口河段主要分布河腰至张寨农业灌溉用水区、原西湾水源井、黄陵县城区排水口、黄帝陵龙池进水口、官庄渔场及村庄等。对于该河段内建设新农村的村庄,目前主要的污水处理方式是沼气技术,因此可在此技术上改进,采用净化沼气技术与人工湿地组合工艺,对于有现有水塘的村庄,也可采用人工湿地与稳定塘的组合工艺。

4)工业用水区

流域范围包括两部分,即从索洛湾到峪村、店头水厂到河腰村。其水质目标为Ⅳ类,执行二级排放标准,处于Ⅳ类水域保护区内的农户,其生活污水排放应达二级排放标准。

(1)索洛湾到峪村河段主要有黄陵二号煤矿、铁路装车站等。该河段内村庄较少,目前生活污水基本未处理,对于人口密集区可选择稳定塘、人工湿地相对集中的处理工艺,对于人口稀疏区可采用厌氧沼气技术、地下渗滤等分散处理技术。

(2)店头水厂到河腰村河段主要红石岩煤矿、车村煤矿、店头电厂、南川一号等。该河段内村庄大部分被占领迁移,居住比较集中。目前一部分村庄依托周围企业集中处理;一部分污水经化粪池简单处理,可选择稳定塘、人工湿地相对集中的处理工艺。对于小部分居住分散的农户可采用厌氧沼气技术、地下渗滤等分散处理技术。

3.2 非沿水域区内污水分散处理技术选择

非沿水域区距离自然水体较远,农户排放的生活污水不能直接进入水体。虽然该范围内的农户排放的生活污水对河流的直接污染影响较小,但对周围的生态环境影响较大,依据《污水综合排放标准》(GB8978-1996)可执行三级标准,需预留二级处理设施的位置,分期达到二级标准,但黄陵县水资源缺乏,水资源的合理利用十分必要,因此,污水处理最好达到回用要求,以实现水资源可持续利用。

黄陵县非沿水域区按地形主要分为塬面和塬坡,该区内绝大多数农户居住于塬面上,塬坡的农户较少且分散,对于新农村村庄,目前采用了绝大农村沼气技术,对于非新农村村庄污水基本未处理。

(1)对于新农村的村庄,居住比较集中。一是在已建沼气池的基础上进一步改进,采用净化沼气技术或净化沼气技术与人工湿地相结合的工艺;二是对未建沼气池的农户可采用人工湿地、稳定塘技术。

(2)对于非新农村的村庄,可以根据实际情况选择不同的处理工艺。农户居住较集中的地区可选择人工湿地技术;农户居住较集中且周围有空闲的池塘的地区可以选择稳定塘技术;农户居住比较分散的地区可选择地下渗滤或厌氧沼气技术,因地区基本是一家一院独立居住,住宅占地面积较大,可充分利用庭院空间,建立以沼气工程为主的庭院生态模式,具体可推广“三位一体”模式、“四位一体”生态模式和“五配套”模式。

4 结论与建议

随着社会的不断发展,农村生活污水量随之增加,农村生活污水对流域地表水的污染已十分严重,农村生活污水处理已相当迫切。通过西北地区环境特点及农村生活污水特征分析,得出以下结论与建议：

(1)从自然条件、经济条件等因素,分析了西北地区农村生活污水处理技术及工艺特点,对西北地区农村生活污水处理方案选择提供借鉴。

(2)按照沿水域区和非沿水域区划分,在沿水域区根据水域水功能区划的水质要求,提出了农户污水处理工艺选择方案,为保护地表水环境质量奠定了基础;对于非沿水域区,农户污水处理工艺选择应尽可能达到回用的要求,以实现缺水地区水资源的合理利用。

(3)针对西北地区贫富差距较大、冬季温度较低等特点,西北地区政府及环保部门可对农村生活污水处理给予适当的引导和资金支持,并配备一定的技术力量,对农户进行技术培训。

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